鱼雷动力系统技术发展及未来趋势研究

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　　摘  要：介绍了鱼雷热动力系统及电动力系统的技术特点，并重点阐述了其技术发展史，对其未来趋势进行了展望。作为鱼雷重要组成部件之一，动力系统的战略价值不言而喻，针对其开展的技术研究将一定程度上影响着未来海防事业的战略走向。
　　关键词：鱼雷;动力系统;技术发展史;热动力鱼雷;电动力鱼雷
　　中图分类号：TJ630         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）28-0159-02
　　Abstract： This paper introduces the technical characteristics of torpedo thermal power system and electric power system， focuses on its technical development process， and forecasts its future trends. As one of the important components of the torpedo， the strategic value of the power system is self-evident， and the technical research carried out for it will affect the strategic direction of the future coastal defense industry to some extent.
　　Keywords： torpedo; power system; history of technology development; thermodynamic torpedo; electric power torpedo
　　引言
　　鱼雷是用以攻击、摧毁潜艇和水面舰船的重要海战武器。动力系统的功用是将鱼雷自身携带的能源转变为推进鱼雷前行所必需的机械功[1-2]。鱼雷武器具有多方面的战术技术性能指标，其中直接取决于动力系统的主要指标有航程、航速、最大航行深度、无迹性及鱼雷的辐射噪声。
　　 任何一条鱼雷，无论从质量还是体积的角度来看，动力系统在全雷中都占有很大的比例。因此，动力系统与鱼雷武器的性能之间有着深刻的、直接或间接的联系。动力系统的品质对鱼雷武器战术技术性能产生重大的影响。
　　1 鱼雷动力系统组成及分类
　　 鱼雷动力系统可分电动力系统和热动力系统两大类。
　　 熱动力系统的能源是推进剂，利用推进剂燃烧反应释放的热能来做功，故其发动机也称作热力发动机。电动力系统的能源是动力电池，利用动力电池释放的电能来做功，其发动机是推进电动机。两种动力系统所用的推进器均为螺旋桨或泵喷射推进器。使用固体火箭发动机的喷气鱼雷动力系统和使用水反应金属推进剂的鱼雷动力系统是热动力系统中的特殊类型，因为发动机工质以较大的动量从位于雷尾的喷管中喷出，从而产生反作用力推动鱼雷前进，所以无需额外配置推进器[3-5]。
　　 已确定外形和尺寸的鱼雷，在既定的速度和深度航行时，鱼雷的航程取决于其能源储备量和动力系统的推进总效率。鱼雷中用来储备推进剂（或电池）的容积和质量都是有限的，而且因为鱼雷在水中航行，其动力系统不可能像陆用或航空动力系统那样以大气作氧化剂，所以鱼雷除了要自身携带燃烧剂以外，还要携带所需的氧化剂。由此不难理解，鱼雷推进剂（或电池）不但要求有良好的安全性能和使用性能，而且还要具有尽可能高的能量密度。热动力系统使用的推进剂能量密度可用单位体积或单位质量推进剂经燃烧反应释放的理论热量或所做的功来度量，电动力系统使用的电池组的能量密度可用单位体积或单位质量电池组反应释放的电能来度量[6]。
　　 例如，目前热动力鱼雷普遍使用的奥托-II（OTTO-II）单组元液体推进剂，但由于奥托-II本身为贫氧，作为单组元推进剂进行热分解时，化学能不能充分释放，故其能量密度较低。
　　为了综合评价热动力鱼雷的推进剂能量特性和发动机热功转换的有效性，可以采用动力系统推进剂单位消耗率这一参数。将其定义为动力系统在单位时间内发出单位有效功率所需的推进剂质量。显然，推进剂单位消耗率是动力系统的一项综合性能指标，其值越小越好，因为对外形和尺寸已定的鱼雷，这就意味着既定航速时有较大的航程，或既定航程时可以有较大的航速。
　　2 鱼雷动力系统的技术特点
　　在鱼雷上的一切装置，都要求质量轻、体积小、工作可靠、性能良好、使用方便，这些要求使得鱼雷动力系统的设计具有自身的特点。鱼雷的设计、制造或使用都不是作为一次发射使用的，目前各国服役的鱼雷从出厂经部队训练后列为战雷，其试验、使用次数一般为10次左右。
　　整个动力系统工作的总时间一般不超过10h，属短寿命、短时工作制，因此装置允许有较高的电、热及机械负荷。鱼雷动力系统的相对质量比地面装置更为轻捷。根据现役鱼雷的情况，鱼雷动力系统的质量和体积约占全雷质量和体积的50%，因此提高质量功率比是鱼雷动力推进系统研究的首要任务。
　　例如，美国的MK46型鱼雷动力系统（凸轮式活塞发动机）的总质量仅26kg，而其有效输出功率为50kW，质量比功率约为1.92kW/kg，相对质量比功率约为0.52kg/kW，远远小于地面使用的活塞机动力系统。
　　3 鱼雷动力系统的发展历程
　　鱼雷动力系统是随着科技进步而不断向前发展的，其动力系统在技术上是经过了几次质的飞跃才发展到当前的技术水平。
　　最初的鱼雷动力系统是直接利用压缩空气作工质，并采用V形双缸活塞式冷气机。这类冷动力系统虽只利用了工质的位能，但其一直用到20世纪初，使用期达40年之久。在这期间为了满足提高鱼雷航速与航程的要求，曾采取了增大气舱容积，提高充气压强和发展星型多缸发动机的方法。 　　鱼雷动力系统在20世纪初跃进了第一步。因为发明了加热器（即燃烧室），压缩空气就可在加热器中同与煤油或酒精燃烧生成的燃气作为工质进入发动机工作。这种动力系统已是采用多组元推进剂的热动力系统，由于其所利用的能源不单是压缩空气的机械能，而且还有能量密度更大的推进剂化学能，能源储备量得以显著增大，因此使鱼雷的航速和航程有了显著提高。但是由于工质温度受材料高温强度性能的限制，因此后来又发明了向加热器中喷淡水降低燃气温度，以充分利用压缩空气进行完全燃烧的方法。因为在工质中的水蒸气成分较大，所以把这种鱼雷称为蒸汽瓦斯（燃气）鱼雷。第二次世界大战中使用的主要是这种鱼雷。
　　使用单组元推进剂的动力系统的主要优点是推进剂的输送和调节简便，便于鱼雷小型化。以过氧化氢为基础的单组元推进剂虽然早已研究，但这种推进剂易于发生自燃和爆炸的危险，因而需要另寻新的推进剂。美国在20世纪50年代研究了由液态硝酸脂、钝感剂和稀释剂等3种成分混合而成的奥托推进剂系列，其中尤以奥托-Ⅱ为最佳，这种单组元推进剂的能量密度较高，蒸汽压低，适于长期储存，对冲击不敏感，而且无毒，是一种性能比较好的推进剂。美国在60年代和70年代中新装备部队的小型和大型反潜鱼雷MK46和MK48都是使用这种推进剂。奥托推进剂的缺点是燃烧生成物中有不溶于水的成分而使鱼雷产生航迹，另外它的能量密度还不够高，因此国外仍在研究新的推进剂，有希望的如HAP推进剂和锂一六氟化硫推进剂等。
　　在20世纪60年代以前，热动力鱼雷主要用于攻击水面舰艇，鱼雷的航速在50kn以内，发动机功率不超过370kW。除汽油机外，陆地上用的各种发动机都有投入使用的可能性，各国则根据自己的优势而采用其中的一种发动机。例如，苏联采用纵卧双缸往复式活塞发动机，英国和日本采用星型多缸活塞式发动机，美国采用涡轮机，德国也以涡轮机为主。
　　第二次世界大战结束以后各国都十分重视发展反潜鱼雷，而电动力系统由于其结构简单、无航迹、低噪声、航深对发动机功率不产生影响等优点，很适于自导反潜鱼雷采用，因而得到了较大的发展。鱼雷上的电池最先采用的是铅酸蓄电池，20世纪50年代研制成功了能量储备比铅酸电池高数倍的银锌电池，60年代采用了比银锌电池能量更高的银镁海水激活电池，70年代以后出现的锂电池和铝氧化银电池，使鱼雷的能量储备接近了热动力鱼雷的水平。
　　但是电动力技术在20世纪50年代末还很难满足反潜鱼雷在航速和航程方面不断提高的要求，于是开展了反潜鱼雷使用热动力系统的研究，美国MK46和MK48热动力反潜鱼雷的出现标志着在这方面已取得了相当大的成就。在大深度反潜鱼雷上，已有的各型热力发动机均因承受不了大背压排气和高压高温进气的影响而逐渐退出了历史舞台，而活塞呈筒形布置以便采用结构简单可靠的转阀配气的新机型则得到了长足的发展。这类新机型的优点是便于在鱼雷上布置，结构十分紧凑，能够进行同心双轴输出而直接驱动鱼雷的前、后螺旋桨，发动机易于完全平衡，而且振动和噪声较小。根据工作机构的不同，其可分为筒型活塞式凸轮机和筒型活塞式周转斜盘机两种类型，前一种机型对小型鱼雷较为适用。根据目前情况来看，使用单组元推进剂和筒型发动机的动力系统在近期内将是鱼雷热动力系统的主要发展方向。
　　综上所述，鱼雷动力系统的发展是随着对鱼雷战术性能要求的提高而向前发展的，主要采取的途径是增大能量储备，使用能量高和安全性好的新推进剂，提高功率和效率，使用高压进气，发展结构简单质量又小的新型发动机，提高可靠性和适用性，研制和发展适合鱼雷特点与要求的辅机以及启动、燃烧的器件与功率调节的装置等。在技术上，现代鱼雷动力系统已达到了相当高的水平，但由于反潜鱼雷的作战深度还需要进一步增大，各国又在研究适于大深度（1km以上）工作的鱼雷动力系统，如闭式循环的热动力系统和高容量电池的电动力系统等。
　　我国的鱼雷科技工作者在自力更生的方针指引下，从20世纪50年代末开始研制鱼雷，生产出了我国自己的蒸汽瓦斯鱼雷和电动自导鱼雷。进入70年代后，我国开始了新型热动力自导鱼雷的研制。经过20多年的研究，我国的热动力鱼雷技术已接近世界先进水平。
　　4 鱼雷动力系统技术发展趋势展望
　　鱼雷动力系统的主要发展趋势如下：
　　（1）热动力在提高鱼雷航速和航程方面将继续保持优势，同时也在不断提高安静性和使用性。电动力在保持高的安静性和好的使用性优势的同时，在提高鱼雷航速和航程方面也将有大的进展。
　　（2）化学贮能推进系统（SCEPS）、水反应金属推进剂、先进型闭式循环热动力推进系统（ADSCEPS）的高比能量，都是因为以不同的方法应用金属推进剂的结果。因此，可以认为金属推进剂，特别是水反应金属推进剂热动力系统是鱼雷动力技术未来的主要发展方向[7]。
　　5 結束语
　　鱼雷作为一类重要的水中兵器，其具有重要的战略价值，并将长期在兵器工业中扮演着重要角色。动力系统作为鱼雷的重要部件之一，针对其开展的技术研究将一定程度上影响着未来海防事业的业务走向。
　　参考文献：
　　[1]李兵.鱼雷活塞发动机旋转配气阀（阀体）的有限元分析[D].西北工业大学，2002.
　　[2]周鹏.活塞发动机旋转配气阀传热与接触应力耦合分析[D].西北工业大学，2005.
　　[3]刘雄.鱼雷涡轮动力系统仿真研究[D].西北工业大学，2004.
　　[4]安斌.水下特种推进电机研究[D].西北工业大学，2005.
　　[5]张建东.鱼雷热动力推进系统无级变速控制系统研究及仿真[D].西北工业大学，2003.
　　[6]伍赛特.电动力鱼雷用电池装置的前景展望[J].电子技术与软件工程，2018（24）：232-233+257.
　　[7]查志武.鱼雷动力技术发展展望[J].鱼雷技术，2005（01）：1-4+9.
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